Naslednici personalnog računara >

Iza horizonta

slobodan bubnjević

Može li drvo da rešava integrale, ili će to raditi DNK spirala odnosno posebno "obučeni" molekuli i atomi

Personalni računari, danas toliko rasprostranjeni, stari su tek dvadeset jednu godinu. Oni predstavljaju kulminaciju razvoja računarske tehnologije čija istorija traje skoro dva veka. Prvu automatsku mašinu za računanje još početkom XIX veka konstruisao je engleski matematičar i pronalazač Čarls Babidž (1791–1871), da bi nastanak pravih, savremenih računara otpočeo 1941. konstrukcijom prvog kompjutera po imenu Z3. Ova mašina nemačkog inženjera Konrada Zusea, teška 30 tona, napravljena je od 18.000 vakuumskih cevi i 700 kilometara žice. Razvoj digitalne elektronike u drugoj polovini XX veka učinio je računarske mašine znatno manjim i omogućio stvaranje prvih kućnih računara. Proslavljena američka kompanija IBM predstavila je 1982. godine prvi personalni računar (PC), u koji je ugrađen prvi 16-bitni mikroprocesor Intel 8088. Radikalni proboj računara učinio je da svet koji je do tada postojao zauvek izmeni deo svog lika. Za manje od dve decenije prisustva na širokom tržištu, PC su postali nezaobilazan deo svakodnevice i stigli u najudaljenije delove planete.

granice murovog zakona: Revoluciju računarskih tehnologija uslovio je izuzetno brz razvoj integralnih kola na bazi silicijuma, koji je otvorio napredak nezabeležen u istoriji civilizacije. Silicijumski mikroprocesori postaju sve brži i moćniji zahvaljujući stalnom povećavanju broja komponenti u integralnim kolima, a novi modeli raznovrsne računarske opreme pojavljuju se takvom brzinom da ih s poteškoćama prate i najbolje upućeni poznavaoci. O ovakvom tempu razvoja govori slavni Murov zakon, nazvan po osnivaču Intela Gordonu Muru, koji kaže da se broj elektronskih komponenti na mikroprocesoru udvostručuje svakih 18 meseci. Međutim, fantastičan napredak koji je doživeo silicijumski čip, ucrtan Murovim zakonom, ima svoje granice posle kojih neće postojati fizička mogućnost da na jedan komad silicijuma stane još elektronskih komponenti. Ograničenje je uslovljeno smanjivanjem najmanje komponente integralnog kola na veličinu atoma, kada će dalji razvoj mikroprocesora biti zaustavljen. Poluprovodnička tehnologija poštovala je Murov zakon gotovo 40 godina, a prema mišljenju mnogih stručnjaka to bi trebalo da potraje do 2015, dok mikroprocesori ne dođu do atomske granice. Ipak, poslednja otkrića, saopštena krajem prošle godine na univerzitetu AiM u Teksasu, najavljuju mnogo kraći vek silicijumske elektronike – termalni šum, koji se povećava svaki put kada komponente integralnog kola postanu manje, mogao bi znatno ranije da okonča vreme u kome će još važiti Murov zakon. To će značiti kraj ere silicijuma.

MilionITI DEO milimetra: Današnje elektronske komponente koje se utiskuju na procesor su reda veličine mikrometra, što je hiljadu puta manje od milimetra. Izazov koji se postavlja pred tehnologije koje se kandiduju da zamene silicijumski mikroprocesor je prevazilaženje ove granice u veličini i spuštanje elektronike na nivo nanometra. Nanometar je milion puta manji od milimetra, što je red veličine atoma i molekula, a ovi objekti su po svojoj prirodi fundamentalno različiti od onog sa čime se računarska tehnologija do sada suočavala. Atomi su, uslovno, elementarne čestice od kojih je sačinjen svaki materijal u svetu oko nas. Njihovo ponašanje opisano je neintuitivnim zakonima kvantne mehanike, što predstavlja suštinu problema pri svakom pokušaju da se manipuliše tako malim objektima. Međutim, san o nano-svetu nešto je širi od pitanja stvaranja i kontrole dovoljno malih tranzistora – postoji čitava naučna oblast koja se poslednjih decenija bavi isptivanjem objekata merljivih u nanometrima. Njen opšteprihvaćen naziv je nanotehnologija, a ona je hibridna disciplina fizike, hemije i inženjerstva. Osnovni cilj ove nauke je kontrola nad jednim ili samo nekoliko pojedinačnih atoma, koji bi se mogli "slagati" u strukture po želji. Optimisti veruju da bi se i takvi makroskopski objekti kao što je telefon, kuća ili drvo mogli "ozidati" od pojedinačnih atoma, čime bi se već na elementarnom nivou otklonili svi nedostaci materijala. Takav pristup prevazilazi sve do sada viđeno, međutim, dosadašnji rezultati postignuti u ovoj oblasti ipak naslućuju budućnost koju nisu predvideli ni najluđi SF pisci.

NANOTUBE: Da je projekat stvaranja kompjutera od pojedinačnih atoma i drugih mašina na nano-skalama moguć, za početak potvrđuju biološka tkiva: prema svojoj veličini, svaka biološka ćelija je jedna nano-mašina. Nažalost, tako složene i toliko efikasne strukture još su daleko od dometa moderne nauke u nano-svetu, a ljudima je preostalo još puno toga za učenje o funkcionisanju ovih pravih nano-fabrika. Prvi koraci, hvatanje pojedinačnih atoma i njihovo razmeštanje u tačno određene položaje, odavno su savladani. Pre trinaest godina istraživački tim IBM-a pokazao je da se može manipulisati pojedinačnim atomima. Oni su 35 atoma ksenona razmestili na površinu kristala nikla, tako da svi zajedno čine natpis od tri slova "IBM", što je prvi nano-logo ikada načinjen. Usledio je proboj koji je donelo izučavanje naverovatnih osobina velikih i složenih molekula koje grade atomi ugljenika. Oni se, zbog svoje geometrije, mogu nanizani u najrazličitije oblike molekula, takozvane nanotube. Ovi dugi molekuli u obliku tuba izuzetno su stabilni, poseduju veliku "čvrstinu" i – što je važno – provode struju, te mogu oponašati električna kola, što je poslužilo kao osnov za stvaranje prvih logičkih kola, a potom i čitavih kalkulatora od nanotuba. Dalji napredak u izučavanju nanotuba, proučavanje superprovodnih materijala i druga otkrića u fizici čvrstog stanja, otvorili su pred nanotehnologiju sasvim nove horizonte. Između ostalog, i stvaranje prvih nano-računara.

BITOVI: Postoji više kandidata koji bi mogli raditi na nivou veličine nanometra i zameniti mikroprocesore na bazi silicijuma. Naučna otkrića otvaraju širok spektar mogućnosti za razvoj računara budućnosti. Osnovno pitanje po kome se razlikuju tehnologije nano-računara vezano je za problem realizacije bita informacije. Bit je osnovna jedinica informacije, predstavljena kao 0 ili 1, koju svaki digitalni računar koristi pri računanju i interpretaciji binarnih zapisa u korisne podatke. U konvencionalnom računaru, zasnovanom na radu mikroprocesora, jedan bit se realizuje u silicijumskom tranzistoru kroz dva stanja: (0) kada je tranzistor isključen i (1) kada je uključen. Brzina kojom ovi sićušni tranzistori u mikroprocesoru menjaju stanje najveća je prednost silicijumskog računara. Nano-računari koji pokušavaju da zamene mesto silicijumskog morali su prvo da pronađu način za dovoljno efikasnu realizaciju pojedinog bita. Tako je nastalo nekoliko različitih postsilicijumskih tranzistora: optički, molekularni i DNK tranzistor. Kod optičkog tranzistora bitovi su realizovani pomoću sićušnih optičkih sočiva, a umesto struje koja teče kroz silicijumske tranzistore koristi se laserska svetlost, koja se zaustavlja (0) ili propušta (1). Prvi prototip optičkog računara imao je površinu od kvadratnog metra sa 128 optičkih tranzistora i pokazao je neverovatnu brzinu rada. Molekularni tranzistori za realizaciju bita podataka koriste molekule u električnom polju koji zaustavljaju ili propuštaju struju u svojoj blizini, a prvi ovakav računar sadržao je četiri ovakva tranzistora u vidu ohlađenih molekula.

DVOSTRUKA ZAVOJNICA: Molekularni i optički tranzistori impresioniraju svojom brzinom i veličinom, ali pravi rekorderi u svetu nano-kompjutera su DNK računari. Oni mogu da obave više stotina hiljada milijardi operacija u sekundi i za sada su preko sto hiljada puta brži od najbržih poznatih silicijumskih računara. Za njihov nastanak zaslužan je veliki napredak koji su poslednjih godina doživela istraživanja na polju genetike, naročito tokom projekta dešifrovanja ljudskog genoma. Unutar svakog ćelijskog jezgra uskladištene su ogromne količine genetskih informacija. "Skladište" ovih informacija je DNK, molekul dezoksiribonukleinske kiseline, izuzetno dug molekul uvijen u dvostruku zavojnicu koji predstavlja osnovni deo hromozoma na kome su raspoređeni geni kao segmenti duž DNK lanca. Enzimi, proteini koji se nalaze u jezgru, izazivanjem određenih hemijskih promena i rasplitanjem DNK molekula, obavljaju "čitanje" informacija zapisanih u DNK molekulu. Ovaj molekul ima neverovatan memorijski kapacitet – u jednom kubnom centimetru zapremine, DNK može sadržati više informacija nego milion muzičkih diskova. Međutim, prirodne biohemijske DNK računare teško je kontrolisati – nemoguće je isprovocirati ćelijsko jezgro jednog drveta da rešava integrale. Prvi samostalni DNK računar načinjen je 1994. u Kaliforniji, kada su, upotrebom DNK molekula i enzima, naučnici prvi put uspeli da reše neke jednostavnije matematičke probleme. Od tada više istraživačkih grupa širom sveta dizajniralo je nekoliko DNK računara, koristeći DNK kao softver, a enzime kao hardver. U tome su najdalje otišli istraživači sa Vajcman instituta u Izraelu. Oni su početkom ove godine načinili najmanji bioračunar ikad konstruisan – 15.000 milijardi elektronskih komponenti ovog računara nalazi se u samo jednoj kapi vode. Pri tom, računar ne koristi nikakav spoljašnji izvor energije – sama DNK zavojnica obezbeđuje svu energiju potrebnu za njegov rad.

KVANTNI RAČUNARI: Kvantni računari se konceptualno razlikuju od svih ostalih. Umesto bitova, osnovnih jedinica informacije, oni koriste takozvane kubitove (qbits). Kubitovi su zasnovani na osobini kvantnomehaničkih objekata da im stanje ne može biti eksplicitno određeno. U kvantnoj mehanici ne govori se o tačnom položaju i stanju čestice kako je to uobičajeno u klasičnoj fizici, već se može razmatrati samo verovatnoća da se neka čestica nalazi u određenom stanju ili položaju. Zato, ako je jedan bit kod klasičnih računara mogao uzimati vrednosti 1 ili 0, jedan kubit informacije nije binaran – osim stanja nule i jedinice, on može odgovarati stanju koje je superpozicija (zbir) ovih dvaju stanja, tj. može biti pomalo i 0 i 1, sa određenom verovatnoćom za svako stanje. Ideja kvantnih računara prvi put se pojavila sedamdesetih godina prošlog veka u radovima fizičara Ričarda Fejnmana i Dejvida Dojča, dok je prvi veliki proboj u ovoj oblasti načinio Peter Šor iz ATT Bel laboratorije, pronalaskom metoda kojim bi kvantni kompjuteri rešavali jedan značajan zadatak iz matematičke teorije brojeva. Prvi realan kvantni računar načinili su istraživači IBM-a korišćenjem nuklearne magnetne rezonance za merenje i manipulaciju spinom nekoliko pojedinačnih atoma. Spin, jedna od osobina svih kvantnomehaničkih čestica, omogućila je fizičku realizaciju kubita, međutim, inherentna nestabilnost sistema od nekoliko atoma učinila je da "hardver" ovog računara potraje svega nekoliko nanosekundi. Za sada je kvantni kompjuter ipak samo teorija, a njegova fizička realizacija otežana je nemogućnošću održavanja atoma i jona u jednom čistom stanju. Najsvežiji prodori u oblastima kao što su lasersko hlađenje, logički gejtovi, superprovodnost i optoelektronika omogućuju da se poslednjih godina ovaj problem prevaziđe, pa bi se prvi kvantni računari uskoro mogli pojaviti na horizontu. Ako se tome dodaju rezultati postignuti sa drugim postsilicijumskim računarima, moglo bi se govoriti da će naše silicijumsko doba naslediti vreme mnogo moćnijih tehnologija i da budućnost polako počinje. Ovaj pretenciozni stav dobija svoj puni smisao kada se osvrnemo i uočimo da se mnogi među nama još nisu sasvim navikli ni na sadašnjost.


 

Era silicijuma

Mikroprocesor na bazi silicijuma, najveće dostignuće poluprovodničke tehnologije, "mozak" svakog savremenog računara, u kompjuterskoj terminologiji naziva se centralna procesorska jedinica (CPU), a čini ga samo jedan čip na koji je nanesena čitava računarska mašina. Integralno kolo, ili čip, jeste mali, tanak sloj silicijuma na koji su naneseni svi tranzistori koji čine mikroprocesor. Prvi mikroprocesor, 4-bitni Intel 4004, proizveden je 1971. Njegove mogućnosti nisu prevazilazile sabiranje i oduzimanje, ali je označio početak stvaranja sve moćnijih generacija mikroprocesora, koje su sadržale sve veći broj elektronskih komponenti u jednom integralnom kolu. Već na prvi 8-bitni mikroprocesor, Intel 8080 iz 1974, moglo je da stane nekoliko hiljada tranzistora i on je radio na 2 MHz, što je brzina klok-a, uobičajena mera koja najbolje pokazuje brzinu mikroprocesora. Naredne generacije povećale su ove brzine sa megaherca na gigaherce, a broj tranzistora sa hiljada na milione. Silicijumska tehnologija je poslednjih godina dostigla takav nivo napretka da na jedan čip u klasi Intelovog Pentiuma 4 stane preko 40 miliona tranzistora, iako veličina čipa ne prelazi jedan inč. Zanimljivo je da se veličina najmanje komponente u integralnom kolu smanjila sa 1,5 mikrona iz 1982. na 0,18 mikrona u 2000. godini (radi poređenja, vlas ljudske kose debela je 100 mikrona).


POŠALJI KOMENTAR REDAKCIJI ODŠTAMPAJ TEKST